張春青

(承德石油高等?？茖W校，承德 607000)

0　引言

材料力學是工科院校機械類和近機械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，材料力學試驗是該課程的重要組成部分。在實際中需要先對材料進行力學性能指標測定，只有符合力學技術(shù)指標的材料才能使用于工程上，這就要求學生必須掌握一定的力學試驗檢測方法和技能。其所需的實驗設(shè)備應(yīng)該滿足實驗內(nèi)容和新的測試方法的要求。但目前我校的實驗設(shè)備過于老化，因此在原來實驗室基礎(chǔ)上設(shè)計了基于Labview的材料力學綜合試驗臺測試系統(tǒng)。

1　試驗臺測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

試驗系統(tǒng)由實驗臺、應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)、計算機與打印設(shè)備四部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，采用臺灣研華的PCI1713高速采集卡和美國國家儀器公司(簡稱NI公司)的軟件Labview編寫的應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)，具有采集應(yīng)變和應(yīng)力信號，并計算結(jié)果和繪制曲線的功能。

2　功能介紹

2.1　試驗臺

本試驗臺主要由底座、立柱、加載機構(gòu)和測試部分組成。底板采用鑄鐵材料，以保證實驗臺的穩(wěn)定性；單根矩形截面立柱支承加載手輪，結(jié)構(gòu)簡單，且滿足強度和剛度要求；加載部分采用螺旋手輪進行加載，利用雙向推力球軸承傳遞外力，摩擦阻力小，加載頭不旋轉(zhuǎn)，可移動行程長，載荷穩(wěn)定可靠，測試部分主要是拉壓力傳感器，應(yīng)變片和基于Labview的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該試驗臺通過變換支承形式、試件以及軟件選項可以進行如下實驗項目。

1)材料拉伸測彈性模量E和泊松比ν，見圖2。在實驗臺上安裝拉伸試樣，試樣上粘貼“T”字形應(yīng)變片。

圖2　測E，ν

2)測剪切彈性模量G，見圖3。在實驗臺上安裝固定支撐、測試軸及軸端活動可調(diào)支座，使可調(diào)支座與實驗臺底座接觸，貼45°電阻片，利用全橋或半橋電測法，測試計算剪切彈性模量G。

圖3　測彈性模量G

3)梁的純彎曲正應(yīng)力測定，見圖4。將彎曲試樣放在支座上，中間安放加力粱，使測試試樣的中間部位產(chǎn)生純彎曲。測試梁純彎曲處粘貼5個測試點應(yīng)變片和端部貼上溫度補償片，以驗證純彎曲正應(yīng)力分布規(guī)律。

圖4　彎曲正應(yīng)力測定

4)彎扭組合測主應(yīng)力，如圖5所示。將可調(diào)支座去掉，采取懸臂梁形式，加載后圓軸受彎扭組合變形。在圓軸上粘貼45°應(yīng)變片，由測試軟件讀出0°、45°、-45°的應(yīng)變，從而計算主應(yīng)力的大小和方向。

圖5　彎扭組合測定

2.2　測試軟件

圖6　應(yīng)用軟件設(shè)置流程圖

試驗系統(tǒng)中載荷和應(yīng)變的信號經(jīng)多通道測試系統(tǒng)采集放大，經(jīng)研華PCI1713板卡采集,并由計算機處理顯示。本系統(tǒng)最多可接32路應(yīng)變通道,每路通道均可以連接為1/4橋、半橋和全橋,適用于各種橋路測試。通過Labview軟件,設(shè)計人性化的操作界面,全數(shù)字化智能設(shè)計。各通道自動切換,橋路自動平衡。設(shè)有掃描采樣、定點采樣、定載荷采樣。實時數(shù)據(jù)、曲線顯示,測試數(shù)據(jù)既可以顯示為數(shù)據(jù)列表,也可以顯示為圖形，并有數(shù)據(jù)存儲、查詢、打印等功能。應(yīng)用軟件設(shè)置流程如圖6所示。測試界面如圖7所示。

圖7　測試界面

3　結(jié)論

與原來的力學試驗臺相比，基于Labview的力學試驗臺特點在于：

1)加載采用螺旋手輪無級加載，利用雙向推力球軸承傳遞外力，摩擦阻力小，靈活方便，加載頭不旋轉(zhuǎn)，可移動行程長，使載荷穩(wěn)定可靠。

2)功能強大，具有應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、打印等功能。

3)由于軟件在測試過程中充當了以往由硬件實現(xiàn)的角色。減少了原來測力儀和應(yīng)變測試儀的時間漂移和零點漂移問題，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大提高。

4)測試功能易于擴展，軟、硬件維護和開發(fā)的費用降低。

[1]PCI-1713 32-channel isolated Analog Input Card User’ Manual.

[2]Gary W Johnson，Richard Jennings.LabVIEW圖形編程.北京：北京大學出版社，2002

[3]蔡廣新,劉春海,范黎光.材料力學綜合實驗臺.技術(shù)教育學報，1997(3):45-47

[4]謝占魁，等.電子式材料力學組合試驗臺的研制與應(yīng)用.實驗技術(shù)與管理，2004(2):91-94

[5]郭占山,趙質(zhì)良.在LabVIEW中生成測試報表方法探討.計量技術(shù)，2008(11):43-46